{"id":137734,"date":"2024-01-23T07:02:00","date_gmt":"2024-01-23T06:02:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=137734"},"modified":"2024-01-17T10:06:56","modified_gmt":"2024-01-17T09:06:56","slug":"katalysator-kombination-wandelt-kohlendioxid-in-feste-kohlenstoff-nanofasern-um","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/katalysator-kombination-wandelt-kohlendioxid-in-feste-kohlenstoff-nanofasern-um\/","title":{"rendered":"Katalysator-Kombination wandelt Kohlendioxid in feste Kohlenstoff-Nanofasern um"},"content":{"rendered":"\n\n
\n
\"Zhenhua
Wissenschaftler haben eine Strategie zur Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosph\u00e4re in wertvolle Kohlenstoff-Nanofasern entwickelt. Das Verfahren nutzt elektrokatalytische (blauer Ring) und thermokatalytische (oranger Ring) Tandemreaktionen, um das CO2 (blaugr\u00fcne und silberne Molek\u00fcle) und Wasser (lila und blaugr\u00fcn) in “feste” Kohlenstoff-Nanofasern (silber) umzuwandeln, wobei Wasserstoffgas (H2, lila) als n\u00fctzliches Nebenprodukt entsteht. Die Kohlenstoff-Nanofasern k\u00f6nnten verwendet werden, um Baumaterialien wie Zement zu verst\u00e4rken und Kohlenstoff f\u00fcr Jahrzehnte zu binden. \u00a9<\/strong> Zhenhua Xie\/Brookhaven National Laboratory and Columbia University; Erwei Huang\/Brookhaven National Laboratory<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n

Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) und der Columbia University haben eine Methode entwickelt, um Kohlendioxid<\/a> (CO2<\/sub>), ein starkes Treibhausgas, in Kohlenstoff-Nanofasern umzuwandeln, Materialien mit einer breiten Palette einzigartiger Eigenschaften und vielen potenziellen langfristigen Einsatzm\u00f6glichkeiten. Ihre Strategie beruht auf einem Tandem aus elektrochemischen und thermochemischen Reaktionen, die bei relativ niedrigen Temperaturen und Umgebungsdruck ablaufen. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature Catalysis<\/em> beschreiben, k\u00f6nnte es mit diesem Ansatz gelingen, Kohlenstoff in einer n\u00fctzlichen festen Form zu binden, um Kohlenstoffemissionen auszugleichen oder sogar negativ zu gestalten.<\/p>\n\n\n\n

“Man kann die Kohlenstoff-Nanofasern in Zement einbringen, um diesen zu verst\u00e4rken”, so Jingguang Chen, Professor f\u00fcr Chemieingenieurwesen an der Columbia University mit einer gemeinsamen Berufung an das Brookhaven Lab, der die Forschungsarbeiten leitete. “Damit w\u00e4re der Kohlenstoff f\u00fcr mindestens 50 Jahre, m\u00f6glicherweise sogar l\u00e4nger, im Beton eingeschlossen. Bis dahin sollte die Welt haupts\u00e4chlich auf erneuerbare Energiequellen umgestellt sein, die keinen Kohlenstoff freisetzen.<\/p>\n\n\n\n

Als Bonus produziert das Verfahren auch Wasserstoff (H2<\/sub>), einen vielversprechenden alternativen Kraftstoff, der bei seiner Verwendung keine Emissionen verursacht.<\/p>\n\n\n\n

Abscheidung oder Umwandlung von Kohlenstoff<\/h2>\n\n\n\n

Die Idee, CO2<\/sub> abzuscheiden oder es in andere Materialien umzuwandeln, um den Klimawandel zu bek\u00e4mpfen, ist nicht neu. Doch die einfache Lagerung von CO2<\/sub>-Gas kann zu Lecks f\u00fchren. Und bei vielen CO2<\/sub>-Umwandlungen werden Chemikalien oder Brennstoffe auf Kohlenstoffbasis hergestellt, die sofort verwendet werden, wodurch das CO2<\/sub> wieder in die Atmosph\u00e4re freigesetzt wird.<\/p>\n\n\n\n

“Das Neue an dieser Arbeit ist, dass wir versuchen, CO2<\/sub> in etwas umzuwandeln, das einen Mehrwert bietet, aber in einer festen, n\u00fctzlichen Form”, so Chen.<\/p>\n\n\n\n

Solche festen Kohlenstoffmaterialien – einschlie\u00dflich Kohlenstoff-Nanor\u00f6hren und Nanofasern mit Abmessungen von einem Milliardstel Meter – haben viele attraktive Eigenschaften, darunter Festigkeit sowie thermische und elektrische Leitf\u00e4higkeit. Es ist jedoch keine einfache Angelegenheit, Kohlenstoff aus Kohlendioxid zu extrahieren und ihn zu diesen feinen Strukturen zusammenzuf\u00fcgen. Ein direkter, hitzegetriebener Prozess erfordert Temperaturen von \u00fcber 1.000 Grad Celsius.<\/p>\n\n\n\n

“Das ist f\u00fcr die CO2<\/sub>-Reduktion im gro\u00dfen Ma\u00dfstab sehr unrealistisch”, so Chen. “Im Gegensatz dazu haben wir einen Prozess gefunden, der bei etwa 400 Grad Celsius abl\u00e4uft, was eine viel praktischere, industriell erreichbare Temperatur ist.<\/p>\n\n\n\n

Der zweistufige Tandemprozess<\/h3>\n\n\n\n

Der Trick bestand darin, die Reaktion in mehrere Stufen aufzuteilen und zwei verschiedene Arten von Katalysatoren zu verwenden – Materialien, die es den Molek\u00fclen leichter machen, zusammenzukommen und zu reagieren.<\/p>\n\n\n\n

“Wenn man die Reaktion in mehrere Teilschritte aufteilt, kann man verschiedene Arten von Energiezufuhr und Katalysatoren verwenden, um jeden Teil der Reaktion zum Laufen zu bringen”, so Zhenhua Xie, Forscher am Brookhaven Lab und an der Columbia University, Hauptautor der Studie.<\/p>\n\n\n\n

Die Wissenschaftler stellten zun\u00e4chst fest, dass Kohlenmonoxid (CO) ein viel besseres Ausgangsmaterial als CO2<\/sub> f\u00fcr die Herstellung von Kohlenstoff-Nanofasern (CNF) ist. Dann machten sie sich auf die Suche nach dem effizientesten Weg, um CO aus CO2<\/sub> zu erzeugen.<\/p>\n\n\n\n

Fr\u00fchere Arbeiten ihrer Gruppe brachten sie dazu, einen handels\u00fcblichen Elektrokatalysator<\/em> aus Palladium auf Kohlenstofftr\u00e4gern zu verwenden. Elektrokatalysatoren treiben chemische Reaktionen mit Hilfe eines elektrischen Stroms an. In Gegenwart von flie\u00dfenden Elektronen und Protonen spaltet der Katalysator sowohl CO2<\/sub> als auch Wasser (H2<\/sub>O) in CO und H2<\/sub> auf.<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr den zweiten Schritt w\u00e4hlten die Wissenschaftler einen hitzeaktivierten Thermokatalysator<\/em> aus einer Eisen-Kobalt-Legierung. Er arbeitet bei Temperaturen um 400 Grad Celsius, also deutlich milder als es eine direkte Umwandlung von CO2<\/sub> in CNF erfordern w\u00fcrde. Sie entdeckten auch, dass die Zugabe von etwas zus\u00e4tzlichem metallischem Kobalt die Bildung der Kohlenstoff-Nanofasern stark verbessert.<\/p>\n\n\n\n

“Durch die Kopplung von Elektrokatalyse und Thermokatalyse erreichen wir mit diesem Tandemverfahren Dinge, die mit einem der beiden Verfahren allein nicht m\u00f6glich sind”, so Chen.<\/p>\n\n\n\n

Charakterisierung des Katalysators<\/h3>\n\n\n\n

Um die Einzelheiten der Funktionsweise dieser Katalysatoren herauszufinden, f\u00fchrten die Wissenschaftler eine Vielzahl von Experimenten durch. Dazu geh\u00f6rten rechnerische Modellierungsstudien, physikalische und chemische Charakterisierungsstudien an der Nationalen Synchrotronlichtquelle II (NSLS-II) des Brookhaven Labs – unter Verwendung der Quick X-ray Absorption and Scattering (QAS) und Inner-Shell Spectroscopy (ISS) Beamlines – sowie mikroskopische Aufnahmen in der Elektronenmikroskopie-Anlage des Center for Functional Nanomaterials (CFN) des Labs.<\/p>\n\n\n\n

Bei der Modellierung verwendeten die Wissenschaftler Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT), um die atomaren Anordnungen und andere Eigenschaften der Katalysatoren bei der Wechselwirkung mit der aktiven chemischen Umgebung zu analysieren.<\/p>\n\n\n\n

“Wir untersuchen die Strukturen, um festzustellen, welches die stabilen Phasen des Katalysators unter den Reaktionsbedingungen sind”, erkl\u00e4rte Studienmitautor Ping Liu von der Chemieabteilung in Brookhaven, der diese Berechnungen leitete. “Wir untersuchen die aktiven Stellen und wie sich diese Stellen mit den Reaktionszwischenprodukten verbinden. Indem wir die Barrieren oder \u00dcbergangszust\u00e4nde von einem Schritt zum anderen bestimmen, erfahren wir genau, wie der Katalysator w\u00e4hrend der Reaktion funktioniert.”<\/p>\n\n\n\n

R\u00f6ntgenbeugungs- und R\u00f6ntgenabsorptionsexperimente an der NSLS-II verfolgten, wie sich die Katalysatoren w\u00e4hrend der Reaktionen physikalisch und chemisch ver\u00e4ndern. Die Synchrotron-R\u00f6ntgenstrahlen zeigten beispielsweise, wie sich das metallische Palladium im Katalysator durch elektrischen Strom in Palladiumhydrid umwandelt, ein Metall, das f\u00fcr die Produktion vonH2<\/sub> und CO in der ersten Reaktionsstufe entscheidend ist.<\/p>\n\n\n\n

F\u00fcr die zweite Stufe “wollten wir wissen, wie die Struktur des Eisen-Kobalt-Systems unter den Reaktionsbedingungen aussieht und wie man den Eisen-Kobalt-Katalysator optimieren kann”, so Xie. Die R\u00f6ntgenexperimente best\u00e4tigten, dass sowohl eine Legierung aus Eisen und Kobalt als auch zus\u00e4tzliches metallisches Kobalt vorhanden sind und ben\u00f6tigt werden, um CO in Kohlenstoffnanofasern umzuwandeln.<\/p>\n\n\n\n

“Die beiden arbeiten nacheinander zusammen”, sagte Liu, dessen DFT-Berechnungen zur Erkl\u00e4rung des Prozesses beitrugen.<\/p>\n\n\n\n

“Unserer Studie zufolge tragen die Kobalt-Eisen-Stellen in der Legierung dazu bei, die C-O-Bindungen des Kohlenmonoxids zu brechen. Dadurch wird atomarer Kohlenstoff verf\u00fcgbar, der als Quelle f\u00fcr den Aufbau von Kohlenstoff-Nanofasern dient. Das zus\u00e4tzliche Kobalt erleichtert dann die Bildung der C-C-Bindungen, die die Kohlenstoffatome miteinander verbinden”, erkl\u00e4rte sie.<\/p>\n\n\n\n

Recycelbar, kohlenstoffnegativ<\/h3>\n\n\n\n

“Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM)-Analysen, die am CFN durchgef\u00fchrt wurden, zeigten die Morphologien, Kristallstrukturen und Elementverteilungen innerhalb der Kohlenstoff-Nanofasern sowohl mit als auch ohne Katalysator”, sagte Sooyeon Hwang, Wissenschaftlerin am CFN und Mitautorin der Studie.<\/p>\n\n\n\n

Die Bilder zeigen, dass der Katalysator beim Wachstum der Kohlenstoff-Nanofasern nach oben und von der Oberfl\u00e4che weggedr\u00fcckt wird. Das macht es einfach, das katalytische Metall zu recyceln, so Chen.<\/p>\n\n\n\n

“Wir verwenden S\u00e4ure, um das Metall auszulaugen, ohne die Kohlenstoff-Nanofaser zu zerst\u00f6ren, so dass wir die Metalle konzentrieren und recyceln k\u00f6nnen, um sie erneut als Katalysator zu verwenden”, sagte er.<\/p>\n\n\n\n

Diese einfache Wiederverwertung des Katalysators, die kommerzielle Verf\u00fcgbarkeit der Katalysatoren und die relativ milden Reaktionsbedingungen f\u00fcr die zweite Reaktion tragen nach Ansicht der Forscher zu einer g\u00fcnstigen Bewertung der mit dem Prozess verbundenen Energie- und sonstigen Kosten bei.<\/p>\n\n\n\n

“F\u00fcr praktische Anwendungen ist beides sehr wichtig – die Analyse des CO2<\/sub>-Fu\u00dfabdrucks und die Wiederverwertbarkeit des Katalysators”, so Chen. “Unsere technischen Ergebnisse und diese anderen Analysen zeigen, dass diese Tandemstrategie eine T\u00fcr f\u00fcr die Dekarbonisierung von CO2<\/sub> in wertvolle feste Kohlenstoffprodukte bei gleichzeitiger Erzeugung von erneuerbaremH2<\/sub> \u00f6ffnet.”<\/p>\n\n\n\n

Wenn diese Prozesse durch erneuerbare Energie angetrieben werden, w\u00e4ren die Ergebnisse wirklich kohlenstoffnegativ, was neue M\u00f6glichkeiten zur CO2<\/sub>-Minderung er\u00f6ffnet.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) und der Columbia University haben eine Methode entwickelt, um Kohlendioxid (CO2), ein starkes Treibhausgas, in Kohlenstoff-Nanofasern umzuwandeln, Materialien mit einer breiten Palette einzigartiger Eigenschaften und vielen potenziellen langfristigen Einsatzm\u00f6glichkeiten. Ihre Strategie beruht auf einem Tandem aus elektrochemischen und thermochemischen Reaktionen, die bei relativ niedrigen Temperaturen und Umgebungsdruck ablaufen. Wie […]<\/p>\n","protected":false},"author":3,"featured_media":137738,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_seopress_robots_primary_cat":"none","nova_meta_subtitle":"\"Das Neue an dieser Arbeit ist, dass wir versuchen, CO2 in etwas umzuwandeln, das einen Mehrwert bietet, aber in einer festen, n\u00fctzlichen Form\"","footnotes":""},"categories":[5571],"tags":[14898,15555,14278,13338,23395,13255],"supplier":[4469,4909,3906,20305,11236],"class_list":["post-137734","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-co2-based","tag-co2","tag-elektrokatalyse","tag-fasern","tag-kohlendioxid","tag-thermokatalyse","tag-wasserstoff","supplier-brookhaven-national-laboratory","supplier-center-for-functional-nanomaterials-cfn","supplier-columbia-university","supplier-nature-catalysis-journal","supplier-u-s-department-of-energy"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/137734","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/users\/3"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=137734"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/137734\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media\/137738"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=137734"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=137734"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=137734"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=137734"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}